从信息竞争视角看变化盲视现象中的信息加工问题

范毅强, 李 侠

(上海交通大学 科学史与科学哲学系, 上海 200240)



从信息竞争视角看变化盲视现象中的信息加工问题

范毅强, 李 侠

(上海交通大学 科学史与科学哲学系, 上海 200240)

意识问题一直是心灵哲学中的难题,更是学界讨论的中心问题,针对变化盲视现象的研究数据为意识研究提供了可靠的支持,也为心理内容的自然化带来了新的参考,特别是视觉信息加工过程中的表征、比较和辨识问题。通过对变化盲视现象研究的历史梳理,标示出变化盲视现象中信息加工的特点,并结合信息竞争视角对变化盲视现象中视觉信息的加工问题进行探讨,认为视觉信息加工的层级假设比与意识相关的神经物更能揭示意识的难问题。

变化盲视; 视觉信息; 表征信息; 信息竞争; 层级关系

意识问题一直都是认知中的难题,哲学、心理学和神经生物学等学科都试图对它进行解释与说明。然而时至今日,意识问题仍然作为“难问题”横亘在所有研究者面前,对此,我们需要另辟蹊径,根据结构主义的视角,可以从引发意识的来源处切入对意识问题的探讨。众所周知,我们的绝大多数感觉经验和知识来自于视觉,因此,从视觉刺激入手分析视觉意识的形成,可以揭示意识运行的一些深层内在机制。视觉作为感知世界的重要窗口,它的流程大体是这样的:从视网膜到外侧膝状体核再到视觉皮层,从底层的信息输入再到顶层的干预,各个层级之间相互协作,在这个过程中诸多的功能和结构绑定在一起,很难区分出其间的因果关系,因此,需要通过视觉经验中的一个特殊视角来厘清功能与结构之间的关系。变化盲视作为研究视觉加工的独特方式,从实验的角度在视觉信息的表征、比较和辨识能力诸环节展示了视觉信息加工的特点,即便如此,变化盲视现象的产生原因仍然让人疑惑,而信息竞争视角的引入有助于揭示变化盲视现象的产生与信息加工的机制问题。

一、 变化盲视研究溯源及发展概述

所谓的变化盲视(change blindness)是指,当视觉刺激发生部分改变而观察者不能察觉到差异信息的一种知觉现象。发现环境中的变化是一项非常重要的生存技能,可是为什么这项重要的技能却常常出错,在生活中一些显而易见的变化往往未被有意识地察觉,对变化盲视的研究有助于揭示视觉加工的作用机制,也为了解意识与认知关系提供了新的研究进路。对变化盲视的实验室研究始于20世纪70年代至20世纪80年代末期,Pashler(1988)[1]首次发表明确的实验室演示结果。90年代初期,变化盲视现象的研究出现了快速升温,自1997年西蒙(Simons)[2]发表以变化盲视为题的论文以来,对视觉图景中变化物体所展现出的迟钝的察觉能力有了其专属名词,变化盲视现象由此迅速引起了哲学、心理学、神经科学等学科的广泛关注。

变化盲视作为一个有趣的认知现象,在对其进行自然化的解释过程中,针对它的研究方法逐渐从行为学方法向第一人称方法转变,即关注主体的主观感受。在变化盲视研究的初期,学者们对它的关注源自于眼动实验,“早在1898年,Erdmann & Dodge便记录了该特点,认为在阅读过程中,阅读者并不会按照印刷的线路匀速阅读,而会有规律地扫视和注视停顿,且视觉对文字的辨认只发生在注视停顿期间”[3]。在观察事物的过程中,需要对物体进行扫视和注视,那么从各个扫视和注视中所获得的视觉信息在整合的过程中是否会产生信息流失呢?对信息捕捉、信息整合和信息流失的关注将问题直接推向了变化盲视。

纵观变化盲视研究的历程,大体可分为三个阶段:确证阶段、试验阶段和解释阶段。变化盲视确证阶段以光学实验为主,Ditchburn是最早利用仪器监测眼动和探求视觉阈限的学者之一,为了区分无意识和自发性扫视,Ditchburn(1955)[4]设计了一个记录眼动的光学仪器,认为扫视不单单与视觉信号有关,而且与视网膜以外的其他信号也有关联,比如眼部肌肉的本体感受器,并认为区分无意识和自发性扫视的关键是被测试者能否感知到测试光源的变化。Volkmann(1962)[3]利用光照位置、强度和字母对扫视过程及注视过程中的视觉能力进行了比较,发现在扫视过程中,同样具备视察觉力,但是弱于注视过程。Robinson(1964)[5]使用抽吸式角膜接触镜对四种扫视过程中的眼球运动进行了记录,尝试对扫视过程中眼球的力学结构作出解释。Beeler(1967)[6]在扫视移动和视阀的研究中也使用到了角膜接触镜,认为明度差异阀限一直延续到无意识扫视开始后的90毫秒。对扫视和注视现象的实验性研究为变化盲视提供了多方面的实验性数据,McConkie & Rayner(1975)[7]以眼动为监测对象,将眼动与视觉刺激相联系,尝试对阅读过程中的视觉文字范围作出解释,并认为阅读理解力与视觉范围没有相关性;Bridgeman等(1975)[8]在使用平面镜对视觉目标进行偏转替换的试验中,发现在扫视过程中,感知目标的能力被抑制了,当扫视角度偏转是目标角度偏转的三倍时,完全感知不到目标发生位移偏转。这个结论很有趣,间接证明了我们先前提出的一个假设:表征的精细化与表征节约原则之间是矛盾的。所以扫视速度过快牺牲了表征的精细化的要求,因此,导致实验者在粗略表征的情况下无法发现实验目标的变化。

实验表明,在眼动的过程中,变化的视觉刺激很容易被观测者忽视。20世纪70年代,随着计算机技术的发展,计算机被引入到实验中,视觉刺激源也从简单的光源刺激扩展为文字、图像等,这导致变化盲视研究进入试验阶段,其主要关注变化盲视的影响因素。学者们发现多种因素都会造成视觉盲视的概率提升,比如眨眼[9]、图像干扰[10]、情景干扰[11]、闪烁范式[12]、文化背景[13]等。

各种行为学实验对变化盲视现象及影响因素的研究获得了越来越多的数据支持,可是对变化盲视的产生原因依然存在争议,比如完整表征与缺损表征、底层加工与顶层加工等。随着解剖、病理学、FMRI和事件相关电位(EPRs)研究取得的成果在视觉领域的广泛应用,供变化盲视参照和参考的成果越来越多,比如视觉通道问题[14],视觉识别问题[15],事件相关电位中的VPN、N2PC,失匹配负波成分,等等,这些电生理研究为探究变化盲视的内部机制提供了有力的支持,与变化盲视的影响因素研究一起推动了探究变化盲视的新阶段:解释阶段。比如,Beck(2006)[16]在变化盲视测试过程中用经颅磁刺激分别破坏左顶叶皮层和右顶叶皮层的实验,发现与正常情况相比对右顶叶皮层的刺激导致了非常高的变化盲视出现的概率,由此,可以推断右顶叶皮层的活动在探测图像差别的过程中起着关键性的作用。

二、变化盲视现象中的表征、比较和辨识问题

针对变化盲视的研究已不再是单纯的行为反应研究,学者们运用行为、病例、电生理等多种方法整合的形式将变化盲视现象的机制一步步向大脑功能还原。近年来,随着事件相关电位研究的深入,越来越多的数据将变化盲视现象指向了意识,也为视觉与意识的链接提供了非常有价值的参考。信息表征、信息对比和差异辨识是视觉信息加工过程中的三个重要步骤,任何一个环节的失效都会导致变化盲视,对这三类问题实验数据的整合有助于解释与说明变化盲视的产生与内在机理。

1. 信息表征问题:完整表征与选择性表征

电生理仪器对差异信息的记录,为视觉盲视的试验带来了新的证据,变化盲视的产生并不是因为差异表征信息的缺失造成的,如果将变化盲视产生的原因简单地归结于注意,会遇到很大的争议。既然大脑神经元能够对两幅有差异的图片实施差异表征,为什么被试者未能摆脱变化盲视,这些表征信息是在存储的过程中消失了,还是在加工的过程中被抛弃了?大脑神经元对差异信息的表征将变化盲视的产生原因推向比较问题和辨识问题。

2. 信息比较问题:表征信息存储的时间差异

有关视觉信息加工的信息源一直是学者们存在争议的热点问题。詹姆斯认为:“我们感知到的信息一部分来自于生理感觉,一部分来自于自身头脑中的信息。”[25]科赫认为:“外界的感觉信息通常并不完备,皮层网络会对这些信息进行补插,它们会根据不完整的信息作出最理想的猜测。”[26]Vandenbroucke(2014)[27]认为视觉表征信息并不是缺损的,在感知外界的过程中,感觉记忆能够存储超乎想象的丰富的视觉内容。

原图和变化图片是先后呈现给被试者的,对第一幅图的表征记忆就显得非常重要,如果原图和变化图片的表征信息不能从记忆中正常存取,那么针对变化信息的比较也会失效。Irwin(1991)[17]发现眼动记忆是一种模糊的、容量有限的持久记忆;Hollingworth[28-29]发现前一步注意到的物体表征信息能够在视觉记忆中保存;Beck(2003)[30]认为对表征信息缺乏完整的记忆是造成变化盲视的原因。对视觉表征记忆相冲突的表述将问题指向了表征记忆的有效时间,Sligte(2008)[31]发现在视觉刺激结束后的1 000毫秒时间内,被试者能够记住并且报告出刺激信息的大量内容,1 000毫秒的时间已经让视网膜后像失去了产生感觉记忆的能力,感觉记忆是还原刺激信息的关键; Mitroff(2004)[32]发现被试者在获得足够的表征信息(原图和变化图)读取的情况下,依然会出现变化盲视,由此,将变化盲视的原因推向了留存表征信息的比较;Lyyra(2012)[33]用行为(发现图像差异的准确位置)和视觉失匹配负波分别对显性探测和隐性探测的反应时间进行记录,发现原图和变化图片间隔时间分别为100毫秒和500毫秒时,显性探测呈现的反应时间只有微小的差别,可是间隔时间在500毫秒的情况下,并未发现明晰的视觉失匹配负波,隐性探测在两个时间里反应出的差异说明隐性探测并不是显性探测的必要前提,而且500毫秒的时间间隔对隐性探测造成了很大的障碍。

自失匹配负波被发现以来,一直是事件相关电位测试中的重要参考成分,虽然关于视觉失匹配负波研究的时间并不长,但是随着近年来的研究,视觉失匹配负波与听觉失匹配负波展现了相似的特征,反映了基于记忆的自动加工机制和注意捕捉加工。在第17届世界精神心理学大会(2014)的讨论会上,Czigler & Kimura认为:“当获取特征记忆表征并将新进入的视觉刺激与该表征进行比较时会出现视觉失匹配负波”[34]。间隔时间在100毫秒和500毫秒时隐性探测展示出的不同特性说明了获取特征记忆表征失败或者捕捉新进入的视觉刺激失败,可是显性探测在500毫秒所表现出的稳定性说明捕捉新进入的视觉刺激功能并未失效。由此得出,获取特征记忆表征失效了,500毫秒的时间造成了记忆存储的丢失。显性与隐性探测分别对不同的信息进行加工,显性探测依赖短时记忆,隐性探测依赖感觉记忆,这两种记忆信息很可能不仅没有信息依赖关系,而且很可能不存在信息交互。

3. 差异辨识问题:感受(sensing)和看见(seeing)两种辨识状态

关于感受与看见两种辨识,似乎是个风马牛不相及的命题,但在变化盲视测试的过程中,感受和看见有了联系,且表现为两种不同的状态,而且越来越多的研究表明这两种状态使用了不同的神经机制。Rensink(2004)[35]在变化盲视的试验中设立了两种判断,一种是感受(sensing),只要感觉出两幅图像是有差异的就完成感受辨识;另一种是看见(seeing)判断,必须要明确指出图像差异的准确位置。Rensink发现被试者对感受和看见的反应时间是有差异的,甚至感受反应要先于看见,Rensink认为感受和看见并不是简单的阀值和信号强度上的区别,而是有着两种完全不同的运行机制,并提出心灵之眼机制(mindsight mechanism),一种类似于第六感的机制解释反应时间的差异。Simons(2005)[36]否认了心灵之眼机制的存在,认为感受存在猜测的嫌疑,因为在测试感受的试验中,很多感受到的变化其实都是错误的,感受表现为一种对变化的察觉,但是其依赖的信息却是内省的,而看见表现为对变化信息的鉴别,依赖的信息更有说服力,Simons认为感受和看见的不同要求导致了反应时间的差异,所以并不是心灵之眼机制的干预。变化盲视中的感受和看见两种认知状态所引发的争议吸引了学者更深入的实验性研究,Galpina(2008)[37]发现感知并不是随机的,当差异被感知时,差异的位置与眼动有着强烈的相关性;Busch(2010)[38]根据事件相关电位图实验否定了Rensink关于感受反应先于看见反应的观点,认为感受到变化并不是看见变化的先决条件,因为看见的最早反应时间比感受的最早反应时间早了很多,而且看见并不影响感受,它们是两种不同的反应机制。科学哲学家汉森提出“观察渗透理论”的著名命题,结合这个观点可以对看见与感受做一点推论:看见是复杂的信息加工过程,它是受观察者所拥有背景理论影响的,甚至可以说没有理论你什么也看不到,基于此,看见需要花费较多时间的;而感受作为一种初级信息加工,尤其是基本感受,它的加工时间要少很多。由此,可以推论感受先于看见。但是感受是严格受时空限制的,而看见相对而言要比感受具有更多的优势,我们可以看见远处的汽车,却无法感受到远处的汽车。从这个意义上说,关于时间表征的讨论必须限定刺激物的时空边界。

在表征、比较和辨识问题的梳理过程中,针对变化盲视的实验数据为我们展示了存在两种视觉加工机制的可能性,一种与感觉记忆有关,虽然这种加工模式包含了完整的视觉信息,但是记忆时间却相当短,另一种与注意捕捉有关,在这种加工模式下,获取的信息是有限的,但是记忆的时间比感觉记忆长。

三、 视觉信息竞争中的层级关系

各种实验数据从表征信息存取能力的角度说明了为什么即便表征信息是完整的,但是变化盲视依然存在的问题。可是变化盲视产生过程中所涉及的意识问题依然没有得到合理解释。关于信息比较和辨识的实验数据显示,两种没有信息交互的加工模式说明存在着至少两种类型的表征信息竞争,虽然这两种竞争的目的都是要得到变化信息,有着相同的加工任务,可是因为获取的表征信息量和存储时间上的差异,在感觉记忆中这种信息竞争比短时记忆的竞争要激烈得多,也使得在搜寻差异图像的具体位置上看见要比感觉的反应更快。在大脑有效加工的范围内,如何从庞大的知觉信息中筛选出最关键的部分是一个无法绕过的认知难题,比如,在可获知的表征信息中,执行信息筛选的过程中是否存在优先层级关系?这种层级关系是否就是经验的体现?这种层级关系能否解除或者调整?或许对信息竞争的还原能够较好地对变化盲视中的这个涉及意识的问题给出合理解释。

信息竞争是一个古老的命题,很多伟大的学者都对其进行过论述,“以疼痛为例,在知觉上我们感受到的疼痛的内容是丰富的,可是我们往往无法将疼痛准确地描述出来”[39]。笛卡儿认为,知觉上丰富的疼痛信息与模糊的意识表述之间就反映了一种信息竞争关系,只有正确筛选出信息才能获得正确的表述。“在我们丰富的知觉信息中,如果没有信息脱颖而出获得优先选择的话,我们将会陷入迷茫。”[40]莱布尼茨认为在丰富的知觉信息中,对差异信息的选择推动着意识的发展,如果知觉信息没有差异,意识将陷入沉寂。“对剌激物的意识并不是刺激物本身到达某个体表接收器或转换器这么简单,大部分对我们知觉器官的冲击从来都不会触发意识的发生。”[41]丹尼特认为刺激物对知觉器官的冲击是有差异的,只有一部分才能触发意识的发生。变化盲视实验结果已经证明,图像中哪怕细小的差异已经在大脑中被表征出来,可是因为存取的问题未被加工,被试仍然无法发现变化。信息的遗失反映出在信息的获取、加工、表征、存储,以及信息的提取中存在明显的不对称关系,视觉所提供的信息量是远远超过被加工信息量的,这应该看做是第一次筛选。试想眼睛大约有500万个锥形细胞和一亿个棒状细胞,当我们对外部进行表征时,如果每个细胞所获取的信息都需要大脑进行精确的加工和记忆,大脑的皮质、运算速度及能量,根本无法支撑如此庞大的加工任务,否则我们的认知行为将会变得缓慢而笨拙,即便这些经过筛选得到加工的信息也不能被全部储存,这就是第二次缩减信息。即便经过表征储存的信息也不可能都能在短时间内得到提取,这相当于第三次缩减,只不过这次缩减与前两次不同,前两次是根本性丢失,而这次只是提取能力有限,但并未真正丢失,我们事后仍有可能会想起。基于这个逐渐简化的表征加工模式,所以当局部图像呈现出轻微改变时,我们很难察觉到这些变化。视觉盲视现象还间接证明了信息加工中存在比较普遍的信息冗余现象。

有限的信息加工通道导致了变化盲视现象的发生,当有限的加工通道在面对庞大的信息群时,信息竞争也必定存在着一种层级关系,即信息筛选的优先级。对眼动的研究发现,扫视和注视在捕捉视觉信息的过程中执行着不同的功能,虽然视觉刺激是相同的,可是视觉状态的调整会造成不同的信息竞争环境,产生信息筛选的层级关系。Rensink(1997)[19]发现在闪烁模式(flicker paradigm)下,会有很高的概率产生变化盲视,但是如果提前做出位置或特点提示,变化盲视概率会小很多,他认为注意对变化的辨识是非常重要的;Epstein(2007)[42]通过实验证明,在熟悉和不熟悉的环境中,对变化信息的视觉加工是存在先后的;Busch认为“在变化感知的案例中,不同的经验会导致不同的知觉和神经加工”[43]。在信息筛选的过程中不仅存在优先级,而且能够根据预先的提示改变信息竞争的状态,调整筛选的层级关系。另外,信息竞争中的优先级还与刺激的新颖性有关,广告行业充分利用视觉加工的这个特点。

四、 结 语

综上所述,变化盲视的实证研究使我们能够清楚地认识到,视觉信息的加工通道是有限的,所以我们才需要通过眼动、注视去调整信息流,“一个人是有意识的当且仅当他是清醒的,并且能够对感官输入的信息作出反应”[44]。在搜寻图像差异的过程中,尽管最后因搜寻的失败导致了变化盲视,但是这个阶段依然是有清醒意识的,因为信息筛选的过程是在有意识的状态下执行的,能够对感官输入的信息作出反应。寻找图像差异的快慢、先后直接说明了信息竞争背后的筛选问题,也揭示了因信息的筛选、加工所造成的意识状态的变化,例如发生盲视或者发现图像差异。人类的视觉加工与显示器中逐行扫描的方式不同,面对远远大于加工通道的信息量,每个信息并没有获得平等的竞争力,在感官输入的刺激信息中,能够优先被大脑加工的信息是非常有限的,这也说明了为什么相同的视觉刺激会产生不同的意识状态。概而言之,心灵哲学应该充分借鉴来自其他学科的越来越丰富的实验数据,对以视觉信息加工为代表的意识问题的分析,不仅仅是科学的事情,同时也是哲学的事情,只有两者的互补才能真正揭示长期困扰人类的意识之谜的内在机制。

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(责任编辑: 李新根)

On Information Processing in Change Blindness from the Perspective of Information Competition

FANYi-qiang,LIXia

(Department of History and Philosophy of Science, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

As a core issue in the academic circle, consciousness is still hanging in doubt in the philosophy of mind. Research of change blindness not only reveals how the mind works, but also provides a reference for naturalizing the mental contents, in particular issues of the representation, comparison and discrimination in visual information processing. Based on the literature review of change blindness research, the characteristics of information processing in change blindness were revealed, and the visual information processing was explored from the perspective of information competition. It was found that the hierarchical hypothesis of visual information processing works better than the consciousness-related neuronal in dealing with difficult issues of consciousness.

change blindness; visual information; information of representation; information competition; hierarchy

10.15936/j.cnki.10083758.2016.06.003

2016-03-20

上海交通大学文理交叉专项基金资助项目(13JCRZ04)。

范毅强(1983- ),男,湖南长沙人,上海交通大学博士研究生,主要从事心灵哲学、科技与社会研究; 李 侠(1967- ),男,辽宁辽阳人,上海交通大学教授,博士生导师,主要从事科学哲学、科技政策与科学社会学研究。

N 031; B 15

A

1008-3758(2016)06-0564-07